软岩大变形失稳条件下松动区及塑性区快速识别的方法

摘要

本发明公开了软岩大变形失稳条件下松动区及塑性区快速识别的方法，通过数值模拟计算得到大变形失稳条件下隧道轮廓不同部位洞周位移与深部围岩位移之间的关系曲线，根据该关系曲线的曲率变化可以判断不同部位的围岩松动区及塑性区范围，将不同部位的松动区及塑性区范围连接起来得到整个隧道的松动区及塑性区范围，并通过工程实践对该方法进行了可靠性检验。本发明的有益效果是：根据实测的洞周位移并在相应部位的洞周位移与深部围岩位移之间的关系曲线基础上进行插值绘制新的关系曲线，根据曲线的曲率变化来判断松动区与塑性区。本发明采用简单的洞周位移监测仪器结合简单的插值计算就能够非常简便、可靠且低成本，能够有效的识别出大变形失稳条件下松动区及塑性区的范围。

说明书

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程施工技术领域，具体的说，是软岩大变形失稳条件下松动区及塑性区快速识别的方法。

背景技术

在隧道及地下工程发生软弱围岩大变形失稳时，对围岩松动区及塑性区的识别，常用的方法为：理论方法和物理探测法。

理论方法又分为理论推导法、数值模拟计算法以及经验回归法；理论推导法无法实现一般隧道断面大变形条件下的围岩变形的推导计算。数值模拟计算法主要存在建模繁琐且可靠性较差的缺陷，且尚无采用数值模拟计算法进行大变形条件下洞周位移与松动区和塑性区关系研究的报道。

物理探测方法包括声波法、多点位移计法、地震波法、地质雷达法以及钻孔摄像法等；物理探测法均依赖于相应的测试仪器，而测试仪器的成本均较高，操作技术要求高且难以满足快速识别的要求。此外，声波法技术相对成熟，但对测试岩体岩性要求较高；多点位移计法测量数据量大，测试精度不高；地震波法与地质雷达可实现无损检测，但对技术水平要求高。钻孔摄像方法直观、精度高、但存在操作复杂、成本高以及不适用于破碎程度高的岩体等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供软岩大变形失稳条件下松动区及塑性区快速识别的方法，仅需采用简单的洞周位移监测仪器结合简单的插值绘制曲线就能够非常快速、可靠且低成本地识别出大变形失稳条件下围岩的松动区及塑性区范围。

本发明通过下述技术方案实现：软岩大变形失稳条件下松动区及塑性区快速识别的方法，具体包括以下步骤，通过数值模拟计算得到大变形失稳条件下隧道轮廓不同部位洞周位移与深部围岩位移之间的关系曲线，根据该关系曲线的曲率的变化可以判断不同部位的围岩松动区及塑性区范围，将不同部位的松动区及塑性区范围连接起来得到整个隧道的松动区及塑性区范围。

进一步地，为了更好的实现本发明，通过数值模拟计算得到大变形失稳条件下隧道轮廓不同部位洞周位移与深部围岩位移之间的关系曲线，根据该关系曲线的曲率的变化可以判断不同部位的围岩松动区及塑性区范围，将不同部位的松动区及塑性区范围连接起来得到整个隧道的松动区及塑性区范围之前具体还包括以下步骤：

步骤S1：在FLAC 3D软件中，建立数值模拟模型；

步骤S2：选取计算参数及计算工况；

步骤S3：确定位移监测点；所述位移监测点设置在同一断面的拱顶围岩、拱腰围岩、边墙围岩、拱脚围岩及拱底围岩的不同深度；

步骤S4：对围岩大变形演变特征进行计算和分析；

步骤S5：根据步骤S3确定的位移监测点，通过FLAC 3D软件计算得到监测点的位移量，并将不同深度围岩位移量与相对应的洞周位移关系采用关系曲线进行表示；

将数值模拟的结果与实际工程的实测值进行对比，对利用关系曲线识别松动区和塑性区的合理性进行了验证。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S2具体是指：采用《公路隧道设计手册》中推荐的围岩物理力学参数，并进行工况选取；所述工况选取包括埋深为100m且围岩级别为V1级的工况1、埋深为100m且围岩级别为V2级的工况2、埋深为500m且围岩级别为V1级的工况3以及埋深为1000m且围岩级别为IV级的工况4。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S4中的计算结果，具体是指，采集在距离掌子面大于1倍洞径处断面的围岩变形数据；对工况1-工况4进行计算分析，得出工况1-工况4的计算结果。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S1具体包括以下施工步骤：

步骤S11：在FLAC 3D软件中，建立坐标系，拟定开挖廓线为双线马蹄形，以开挖方向为+Y轴,竖直向上为+Z轴，开挖方向的右方为+X轴，开挖轮廓位于X轴和Z轴所在的平面上；

步骤S12：设置X＝30m、Y＝50m、Z＝50m，将开挖轮廓区域划分为23100个单元和24684个节点；

步骤S13：以模型底面为z方向位移约束边界，两侧为x方向位移约束边界；顶面为自重应力边界，建立模型；材料本构模型采用摩尔-库仑模型，并采用FLAC 3D大变形模式进行计算。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述步骤S3中具体是指：所述开挖轮廓由几何对称的左轮廓和右轮廓组成，所述监测点的数量为25个，包括设置在右轮廓同一断面上且不同深度的五个拱顶监测点、五个拱腰监测点、五个边墙监测点、五个拱脚监测点以及五个拱底监测点。

进一步地，为了更好的实现本发明，所述五个拱顶监测点、五个拱腰监测点、五个边墙监测点、五个拱脚监测点、五个拱底监测点中各个监测点均为以隧道轮廓边缘为起点并沿各自法线方向距轮廓线边缘为0m、2m、5m、10m、20m分布。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

(1)本发明应用数值模拟技术计算方法克服物理探测方法操作复杂、成本高的缺陷；

(2)本发明将数值模拟的结果与实际工程中的物理探测结果对比验证，证明了该模拟方法的可靠性，有效的避免单纯数值模拟技术可靠性差的缺陷；运用数值模拟技术得到了大变形失稳条件下，洞周位移与深部围岩位移的关系；

(3)本发明将数值模拟分析的结果以不同部位洞周位移与深部围岩位移之间的关系曲线的形式确定下来以方便应用，在以后应用时，无需重新建模进行数值分析，只需测出洞周位移，通过在上述关系曲线基础上进行插值计算绘制出新的洞周位移与深部围岩位移之间的关系曲线，根据该关系曲线曲率的变化即可快速得到当前隧道的松动区和塑性区；

(4)本发明运用数值模拟技术得到了大变形失稳条件下，洞周位移与深部围岩位移的关系；

(5)本发明采用简单的洞周位移监测仪器结合简单的计算就能够快速、可靠且低成本地识别出大变形失稳条件下松动区及塑性区的范围。

附图说明

图1为本发明中的位移监测点布置图；

图2为本发明中的开挖轮廓图；

图3为本发明中的数值模型图；

图4为本发明中拱顶围岩的位移变化曲线；

图5为本发明中拱腰围岩的位移变化曲线；

图6为本发明中边墙围岩的位移变化曲线；

图7为本发明中拱脚围岩的位移变化曲线；

图8为本发明中拱底围岩的位移变化曲线；

图9为本发明中实施例9所对应的边墙围岩的位移变化曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

本发明通过下述技术方案实现，如图1-图8所示，软岩大变形失稳条件下松动区及塑性区快速识别的方法，通过数值模拟计算得到大变形失稳条件下隧道轮廓不同部位洞周位移与深部围岩位移之间的关系曲线，根据该关系曲线的曲率的变化可以判断不同部位的围岩松动区及塑性区范围，将不同部位的松动区及塑性区范围连接起来得到整个隧道的松动区及塑性区范围。

需要说明的是，通过上述改进，如图4-图8所述不同部位不同洞周位移的围岩位移随深度变化的曲线关系图。

如图4所示，在距洞周距离越远，拱顶围岩位移将越来越小。拱顶位移越大，曲线曲率变化越明显，松动区及塑性区范围越明显，反之，松动区及塑性区范围将趋于模糊。

如图5所示，在距洞周距离越远，拱腰围岩位移将越来越小。拱腰位移越大，曲线曲率变化越明显，松动区及塑性区范围越明显，反之，松动区及塑性区范围将趋于模糊。

如图6所示，在距洞周距离越远，拱边墙围岩位移将越来越小。边墙位移越大，曲线曲率变化越明显，松动区及塑性区范围越明显，反之，松动区及塑性区范围将趋于模糊。

如图7所示，在距洞周距离越远，拱脚围岩位移将越来越小。拱脚位移越大，曲线曲率变化越明显，松动区及塑性区范围越明显，反之，松动区及塑性区范围将趋于模糊。

如图8所示，在距洞周距离越远，拱底围岩位移将越来越小。拱底位移越大，曲线曲率变化越明显，松动区及塑性区范围越明显，反之，松动区及塑性区范围将趋于模糊。

根据以上曲线的曲率变化可将曲线大致划分为陡降段、缓降段和稳定段，以此来判断围岩松动区、塑性区和未扰动围岩的范围。事实上，陡降段与缓降段的界限(即松动区的边界)比较明显，但缓降段与稳定段的界限(塑性区的边界)相对模糊。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例2：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，在计算机计算出大变形失稳条件下隧道轮廓不同部位洞周位移与深部围岩位移之间的关系曲线之前具体还包括以下步骤：

步骤S1：在FLAC 3D软件中，建立数值模拟模型；

步骤S2：计算参数及工况的选取；

步骤S3：确定位移监测点；所述位移监测点设置在同一断面的拱顶围岩、拱腰围岩、边墙围岩、拱脚围岩及拱底；

步骤S4：对围岩大变形演变特征进行计算和分析；

步骤S5：根据步骤S3确定的位移监测点，通过FLAC 3D软件计算得到监测点的位移量，并将位移量与相对应的洞周位移关系采用关系曲线进行表示；

步骤S6：根据步骤S5所得的曲线，判断围岩松动区及塑性区的范围。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，所述步骤S2具体是指：采用《公路隧道设计手册》中推荐的围岩物理力学参数，并进行工况选取；所述工况选取包括埋深为100m且围岩级别为V1级的工况1、埋深为100m且围岩级别为V2级的工况2、埋深为500m且围岩级别为V1级的工况3以及埋深为1000m且围岩级别为IV级的工况4。

采用《公路隧道设计手册》中推荐的围岩物理力学参数，并进行工况选取。所述工况选取包括埋深为100m且围岩级别为V1级的工况1、埋深为100m且围岩级别为V2级的工况2、埋深为500m且围岩级别为V1级的工况3以及埋深为1000m且围岩级别为IV级的工况4。

需要说明的是，通过上述改进，参考《公路隧道设计手册》推荐的围岩物理力学参数，选取计算模型所需围岩力学参数,如表1所示。

表1

计算工况1：埋深100m，围岩级别：V₁；

计算工况2：埋深100m，围岩级别：V₂；

计算工况3：埋深500m，围岩级别：V₁；

计算工况4：埋深1000m，围岩级别：IV；

确定围岩物理力学参数，并进行工况选取。所述工况选取包括埋深为100m且围岩级别为V1级的工况1、埋深为100m且围岩级别为V2级的工况2、埋深为500m且围岩级别为V1级的工况3以及埋深为1000m且围岩级别为IV级的工况4。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，所述步骤S4中的计算结果，具体是指，采集在距离掌子面大于1倍洞径处断面的围岩变形数据；对工况1-工况4进行计算分析，得出工况1-工况4的计算结果。

需要说明的是，通过上述改进，所述计算结果具体是指：工况1，计算稳定收敛，没有发生大变形，塑性区范围有限，没有出现连续贯通情况。工况2，开挖后经5000步运算，计算不收敛，出现大变形，最大位移已达3.5m，且将继续发展不收敛。工况3，开挖后经2500步运算，计算不收敛，出现大变形，最大位移已达2m，且将继续发展不收敛。工况4，开挖后经5500步运算，计算稳定收敛，最大位移达到0.5m，发生大变形，但变形稳定。

通过对前述四种工况的计算分析，四种工况的计算结果总体情况如下：

(1)工况1，计算稳定收敛，没有发生大变形。塑性区范围有限，没有出现连续贯通情况。

(2)工况2，开挖后经5000步运算，计算不收敛，出现大变形，最大位移已达3.5m，且将继续发展不收敛。

(3)工况3，开挖后经2500步运算，计算不收敛，出现大变形，最大位移已达2m，且将继续发展不收敛。

(4)工况4，开挖后经5500步运算，计算稳定收敛，最大位移达到0.5m，发生大变形，但变形稳定。

大变形演变特征具体是指：计算时慎重选择围岩的黏聚力和抗拉强度。洞周位移均向临空面径向发展，拱腰处最大，围岩位移方向以径向为主。拱顶至拱腰处深部围岩位移范围最大，埋深较浅时会引起地表开裂，塑性区首先在拱顶偏拱腰约45°方向贯通，拱顶至拱腰范围将逐渐形成锥形滑移体，且该滑移体的范围向上发展并不断向周围扩散。在变形稳定的情况下，洞周虽发生较大位移，但围岩整体趋于稳定，即使没有支护抗力，大变形也不持续发展。

本发明用于识别出现大变形且计算不收敛(即失稳)条件下围岩松动区与塑性区的范围。通过以上四种工况的计算可得到以下大变形演变特征：

(1)围岩的黏聚力和抗拉强度是大变形计算的敏感参数，计算时应慎重选择。

(2)洞周位移均向临空面径向发展，拱腰处最大。围岩位移方向以径向为主。

(3)拱顶至拱腰处深部围岩位移范围最大，埋深较浅时容易引起地表开裂。塑性区首先在拱顶偏拱腰约45°方向贯通，拱顶至拱腰范围将逐渐形成锥形滑移体，且该滑移体的范围向上发展并不断向周围扩散。

(4)在某些情况下(如工况4)，洞周虽发生较大位移，但围岩整体可趋于稳定，即使没有支护抗力，大变形也不持续发展。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，所述步骤S1具体包括以下施工步骤：

步骤S11：在FLAC 3D软件中，建立坐标系，拟定开挖廓线为双线马蹄形，以开挖方向为+Y轴,竖直向上为+Z轴，开挖方向的拟定右方为+X轴；开挖洞口投影到X轴和Z轴所在的平面上形成开挖轮廓；

步骤S12：设置X＝30m、Y＝50m、Z＝50m，将开挖轮廓区域划分为23100个单元和24684个节点；

步骤S13：以模型底面为z方向位移约束边界，两侧为x方向位移约束边界；顶面为自重应力边界，建立模型；材料本构模型采用摩尔-库仑模型，并采用FLAC 3D大变形模式进行计算。

需要说明的是，通过上述改进，如图2所示，隧道的开挖轮廓拟定为双线马蹄形断面。取开挖方向为y轴正方向，竖直向上为z轴正方向，开挖方向的拟定右方为x轴正方向，取X＝30m、Y＝50m、Z＝50m。计算区域划分为23100个单元，24684个节点，能够保证计算具有足够的精度。模型底面为z方向位移约束边界。两侧为x方向位移约束边界。顶面为自重应力边界。材料本构模型采用摩尔-库仑模型，并利用FLAC 3D大变形模式进行计算。如图3所示，FLAC 3D模型。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例6:

本实施例在上述实施例的基础上做进一步优化，所述步骤S3中具体是指：所述开挖轮廓由几何对称的左轮廓和右轮廓组成，所述监测点的数量为25个，包括设置在右轮廓同一断面上且不同深度的五个拱顶监测点、五个拱腰监测点、五个边墙监测点、五个拱脚监测点以及五个拱底监测点。所述五个拱顶监测点、五个拱腰监测点、五个边墙监测点、五个拱脚监测点、五个拱底监测点中各个监测点均为以隧道轮廓边缘为起点并沿各自法线方向距轮廓线边缘为0m、2m、5m、10m、20m分布。

需要说明的是，通过上述改进，隧道左右几何对称、受力对称，因此仅考虑隧道右半断面作为研究对象。在断面的拱顶围岩、拱腰围岩、边墙围岩、拱脚围岩及拱底五处不同深度设置位移监测点。也即每个断面上设置25个监测点，分别监测不同计算时步下洞周位移对应的深部围岩位移情况。

选择拱顶围岩、拱腰围岩、边墙围岩、拱脚围岩及拱底五处作为位移监测点，能够在有限的监测点位条件下很好地反映马蹄形断面的围岩位移特征。更为重要得是：本技术发明的关键点是利用易于监测的洞周点位移来识别出深部围岩的位移特性(松动区及塑性区范围)。而工程实践中，对洞周位移的量测也以选择以上五处为主。换言之，选择以上五处作为洞周及深部围岩位移的监测点，技术经济性及实践操作性最好。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述

实施例7：

如图1-图8所示，软岩大变形失稳条件下松动区及塑性区快速识别的方法，用于隧道及地下工程发生软弱围岩大变形失稳时，对围岩松动区和塑性区范围的快速识别，具体包括以下步骤：

步骤S1：在FLAC 3D软件中，建立数值模拟模型。

所述步骤S1具体包括以下施工步骤：

步骤S11：在FLAC 3D软件中，建立坐标系，拟定开挖廓线为双线马蹄形，以开挖方向为+Y轴,竖直向上为+Z轴，开挖方向的拟定右方为+X轴。开挖洞口投影到X轴和Z轴所在的平面上形成开挖轮廓。

步骤S12：设置X＝30m、Y＝50m、Z＝50m，将开挖轮廓区域划分为23100个单元和24684个节点。

步骤S13：以模型底面为z方向位移约束边界，两侧为x方向位移约束边界。顶面为自重应力边界，建立模型。材料本构模型采用摩尔-库仑模型，并采用FLAC 3D大变形模式进行计算。

步骤S2：计算参数级工况的选取。采用《公路隧道设计手册》中推荐的围岩物理力学参数，并进行工况选取。所述工况选取包括埋深为100m且围岩级别为V1级的工况1、埋深为100m且围岩级别为V2级的工况2、埋深为500m且围岩级别为V1级的工况3以及埋深为1000m且围岩级别为IV级的工况4。

步骤S3：确定位移监测点。所述位移监测点设置在同一断面的拱顶围岩、拱腰围岩、边墙围岩、拱脚围岩及拱底。具体是指：所述开挖轮廓由几何对称的左轮廓和右轮廓组成，所述监测点的数量为25个，包括设置在右轮廓同一断面上且不同深度的五个拱顶监测点、五个拱腰监测点、五个边墙监测点、五个拱脚监测点以及五个拱底监测点。

步骤S4：对围岩大变形演变特征进行计算和分析。所述步骤S4中的计算结果，具体是指，采集在距离掌子面大于1倍洞径处断面的围岩变形数据。对工况1-工况4进行计算分析，得出工况1-工况4的计算结果。

步骤S5：根据步骤S3确定的位移监测点，通过FLAC 3D软件计算得到监测点的位移量，并将位移量与相对应的洞周位移关系采用关系曲线进行表示。

步骤S6：根据步骤S5所得的曲线，判断围岩松动区、塑性区和未扰动围岩的范围。

步骤S7：通过数值模拟计算得到大变形失稳条件下隧道轮廓不同部位洞周位移与深部围岩位移之间的关系曲线，根据该关系曲线的曲率变化判断不同部位的围岩松动区及塑性区范围，将不同部位的松动区及塑性区范围连接起来得到整个隧道的松动区及塑性区范围。

如图4所示，当拱顶洞周位移为0.2m时，随着距离洞周距离的增加，围岩位移将逐步减小，最后没有任何变化。

在实际运用过程中，假设实测拱顶洞周位移为0.5m，使用者可根据图4中拱顶洞周位移0.2m和拱顶洞周位移0.6m所对应的围岩位移曲线进行插值得到洞周位移为0.5m时的围岩位移曲线。进而根据插值得到的曲线的曲率变化快速识别、判断围岩松动区、塑性区和未扰动围岩的范围。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

实施例8：

乌鞘岭隧道F7断层区域隧道边墙收敛值一般在700mm，铁道第一勘察设计院蒲有林采用地震折射层析法对该区域10号斜井边墙的松动区及塑性区进行了现场测试，结果表明：松动区范围为0～5.3m，塑性区范围为5.3m～8.6m。因为初期支护收敛700mm，考虑到未量测到的掌子面前方预收敛变形，故此处取单侧洞周位移取为0.44m。

根据图6中洞周位移0.2m和洞周位移0.6m两条曲线进行插值可以得到洞周位移为0.44m时的围岩位移变化曲线，所得出的关系曲线，如图9所示可以看出，在距离洞周5m的位置，曲线曲率发生突变，可认为0～5m属于松动区。此外，5m～10m范围可以认为是塑性区。10m以外的围岩变形甚小且随距离增大变化很小，说明围岩受扰动甚小。以上判断与实测值基本吻合,能够满足工程需要。

本实施例的其他部分与上述实施例相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。